DE2341084A1

DE2341084A1 - IMPROVED SOLDERING PROCESS

Info

Publication number: DE2341084A1
Application number: DE19732341084
Authority: DE
Inventors: Stanley Francis Dzierski
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1972-08-11
Filing date: 1973-08-10
Publication date: 1974-02-21
Also published as: FR2195501B1; US3831263A; AU5884273A; GB1409478A; BR7306141D0; DE2341084B2; FR2195501A1; CA992397A; IT990403B; AU461263B2; JPS4945867A

Description

A 1386A 1386

Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A«Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A. "

Verbessertes LötverfahrenImproved soldering process

Werkstücke, bzw. Teile aus Aluminium oder Aluminiuralegierungen v/erden im allgemeinen nach mehreren Verfahren, bei denen Lötlegierungen verwendet v/erden, die im allgemeinen verschiedene Mengen Blei, Zinn, Antimon, Zink und Aluminium enthalten, bei Temperaturen in der Nähe von VpO G oder darunter, und zwar gewöhnlich darunter, miteinander verlötet, ji'ine derartige Iiötlegierung enthält Zink als Hauptbestandteil und bis zu etwa 10 Gew.-fi Aluminium. Chemische Flußmittel werden häufig beim Löten benutzt, um den zähen überflächenoxidfilm auf den zu verlötenden Aluminiumwerkstacken zu entfernen und eine saubere Metalloberfläche zu schaffen, die von der geschmolzenen Lötlegierung benetzt werden kanu' υ.ad an der die Lotlegierung haften kann. Andere I-Iittel zum entfernen des üxid'films sind ebenfalls angewendet worden, zu denen beispielsweise das mechanische Abüoheuern und die Anwendung vor;. Mtraschallenergie gehören, wobei di-rch letztere auf eij.i«;eu Aav/ondungsgebieten in einem gev/i:jfjen l-ia'ie ein geeignetem ,r>j:iia «rreicnt v/ird.Workpieces or parts made of aluminum or aluminum alloys are generally grounded by several processes in which soldering alloys are used, which generally contain various amounts of lead, tin, antimony, zinc and aluminum, at temperatures in the vicinity of VpO G or below, and usually below, soldered together, such a solder alloy contains zinc as a major component and up to about 10 % by weight of aluminum. Chemical fluxes are often used in soldering to remove the tough surface oxide film on the aluminum work pieces to be soldered and to create a clean metal surface that can be wetted by the molten solder alloy to which the solder alloy can adhere. Other means of removing the oxide film have also been used, including, for example, mechanical operation and application. Mtrasonic energy belong, whereby the latter on eij.i "; eu Aav / ondungsgebiet in a gev / i: jfjen l-ia'ie a suitable, r> j: iia" rreicnt v / ird.

409 808/0963409 808/0963

'.οel einer geeigneten Löttechnik v/erden die zu verbindenden ".erkstücke getrennt oder in zusammengesetzter Form in der zum Löten geeigneten gegenseitigen Anordnung in ein Bad aus geschmolzenem Lötmittel eingesenkt oder eingetaucht, um die einzelnen "verk— stücke für das nachfolgende Verbinden au überziehen oder vorzu— verzinnen oder das Löten eines zusammengesetzten 'Werkstücks in situ zu bewirken. ^T;Ien.ri das Lötmittelbad Aluminium enthält, besteht eine erhebliche lieigung zur Bildung eines zähflüssigen Schaums, der Oxide und eingeschlossene Lötlegierung enthält und sich auf der Oberfläche des Bads befindet, und dieser Lötmittel— schaum haftet auf den eingetauchten Oberflächen wie eine zähflüssige bzw. gummiartige Masse, wenn die "Werkstücke mit den betreffenden Flächen aus dem Bad herausgezogen werden. Als "^rgebnis wird eine sehr ungleichmäßige und manchmal überreichliche. Verteilung von Lötmitteln erhalten. Dieser Zustand ist erfahrungsgemäß auf zahlreichen 'üauchlötanwendungsgebieten, einschließlich des Tauchlötens unter Einwirkung von Tltrasehall, erhalten worden. Im allgemeinen wird versucht, den überreichlichen Lötmittelschaum durch kräftiges Schütteln des zusammengesetzten Werkstücks oder der einzelnen vorverzimiten ^rieile von den Lötnähten bzw. den Verbindungsstellen zv. entfernen. Diese Verfahrensweise ist nicht nur umständlich, sondern etwas von dem Lotmittelschaummaterial bleibt in der ge ^ebenenf alls gelöteten Verbindungsstalle zurück und kann zu Hohlräumen in der Verbindungsstelle bzw. der Lötnaht führen. Das Problem scheint in dem Iip.ße ernsthafter zu v/erden, in dem der Alumini umbehält des Haas zunimmt. Aluminium ist Jedoch in der Lötlegierung erwünscht, v/eil es aea Schmelzpunkt des Zinks erniedrigt und dadurch ei_i Loten bei .iiedrigeren Temperaturen erlaubt. Sogar ^;:ei Υβνν=:.Λ·~χΐ£ von praktisch reinem Zink wird das j/robleri nicht entschärft, weil geschmolzenes Zink Metall von den Aluminium- Jaer Alu:ni.:Iumlegierungswerkstücken während des Eintauchens löst und folg Lieh das Lötmittellegierungsbad mit Zink als iiai-pfbestandteil w-Viir^nd des Lötvorgangs an Aluminium angereichert wird. Using a suitable soldering technique, the "wrenches" to be connected are sunk or dipped into a bath of molten solder, either separately or in assembled form in the mutual arrangement suitable for soldering, in order to cover the individual "wedges" for the subsequent connection or pre-tinning or soldering an assembled workpiece in situ. ^T; Ien.ri containing the solder bath aluminum, there is a considerable lieigung to form a viscous foam which contains oxides and entrapped solder alloy and is on the surface of the bath, and this solder foam adheres to the immersed surfaces such as a viscous or rubber-like mass when the workpieces with the surfaces concerned are pulled out of the bath. The result is a very uneven and sometimes excessive. Distribution of solder received. Experience has shown that this state has been obtained in numerous fields of application, including immersion soldering under the action of Tltrasehall. In general, an attempt is made to over abundant Lötmittelschaum by vigorous shaking of the composite workpiece or the individual vorverzimiten ^r ieile of brazed joints or the junctions zv. remove. This procedure is not only cumbersome, but some of the solder foam material remains in the evenly soldered connection stems and can lead to cavities in the connection point or the soldered seam. The problem appears to be more serious in the IP as the aluminum hold of the hair increases. However, aluminum is desirable in the soldering alloy because it lowers the melting point of the zinc and thus allows soldering at lower temperatures. Even ^; : ei Υβνν = :. Λ ~ £ of practically pure zinc, the j / robleri is not defused because molten zinc dissolves metal from the aluminum alloy workpieces during immersion and follows the soldering alloy bath with zinc as iiai-pf constituent w-Viir ^ nd of the soldering process is enriched in aluminum.

SAD ORIGINAL 09808/0963SAD ORIGINAL 09808/0963

..:.s isx gefunaeri worden, daß kleinere Zusätze von Beryllium zu aen r.ötlegierungen mit Zink als -iauptbestandteil, die bis zu etwa 1ü G-ew.-^ Aluminium enthalten, die Fließfähigkeits- und Benetzungseigenschaften sehr stark verbessern und ferner zu wesentlich verbesserten Jigeiiochaften der Lötnähte führen, indem α ac oben erläuterte Lötmittelsciiaumproblem wesentlich gemildert wird. Die Erfindung schlägt demnach eine Lötlegierung vor, die bes nders zum Senk- oder Tauchlöten von Aluminium- oder Aluminiumlu^iuruiigswerlcstücken oder -teilen geeignet ist und in wesentlichen aus bis zu etwa 1ü G-ew.-yo, im allgemeinen 1 bis 10 G-ew.-fo Aluminium, etwa 0,005 bis etwa Ο,Ί G-ew.-$-i Beryllium und als Hest im wesentlichen aus Zink besteht. Bevorzugte Grenzen für die Zusammensetzung des Lötmittelbads sind 3 bis 7 öew.-φ oder 4 bis 6 G-ew.-^j Aluminium im Hinblick auf einen niedrigen Schmelzpunkt und 0,01 bis 0,03 G-ew.-jfe Beryllium im Hinblick auf die Vfirksamkeit und yirtschaftlichkeit. j^ina andere bevorzugte -Legierung, die für die Durchführung der Erfindung geeignet ist, enthält im wesentlichen Zink und etwa 0,015 bis etwa 0,025 9ew.-$ Beryllium...:. It has been found that small additions of beryllium to alder alloys with zinc as the main component, which contain up to about 1% by weight of aluminum, greatly improve the flowability and wetting properties and also increase lead to significantly improved Jigeiiochaften of the soldered seams, in that α ac the soldering agent problem explained above is substantially alleviated. The invention accordingly proposes a soldering alloy which is particularly suitable for plunge-cutting or immersion soldering of aluminum or aluminum alloy pieces or parts and which consists essentially of up to about 1 g-ew.-yo, generally 1 to 10 G- ew.-fo aluminum, about 0.005 to about Ο, Ί G-ew .- $ - i beryllium and as Hest consists essentially of zinc. Preferred limits for the composition of the solder bath are 3 to 7 oew. -φ or 4 to 6% by weight aluminum in view of a low melting point and 0.01 to 0.03% by weight in terms of beryllium in view of efficiency and economy. Another preferred alloy suitable for practicing the invention contains essentially zinc and from about 0.015 to about 0.025 wt% beryllium.

Die zu verbindenden Teile oder Werkstücke, manchmal Grundteile genannt, können aus irgendeinem der Aluminiummaterialien bestehen, die üblicherweise für gelötete Teile verwendet werden. Sie können aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, und eine Lötnaht kann Werkstücke aus verschiedenen aluminiumhaltigen Materialien enthalten bzw. verbinden. Zu typischen Legierungen gehören solche, die mindestens Ίο 7° Aluminium und 1 oder mehr bis zu 1Ü > oder 12 ^;/ί Zink, Magnesium, Kupfer oder Silicium und bis zu 1 oder 2 fi von solchen Elementen, wie üisen, Mangan, nickel oder Chrom, enthalten. Die Aluminiumwerkstücke können entweder G-U. 13werkstücke oder Knetwerkstücke sein, und. ein Aluminiumwerkstück kann-mit einem liichtaluminiumwerkstück verbunden werden. Z.B. kann bei Durchführung der jirfindtmg ein Aluminiumwerkstück mit einem Kupfer- oder liessingwerkstück verbunden werden.The parts or workpieces to be joined, sometimes called base parts, can be made from any of the aluminum materials commonly used for brazed parts. They can consist of aluminum or an aluminum alloy, and a solder seam can contain or connect workpieces made of various aluminum-containing materials. Typical alloys include those that contain at least 7 ° aluminum and 1 or more up to 1> or 12 ^; / ί Zinc, magnesium, copper or silicon and up to 1 or 2 fi of such elements as iron, manganese, nickel or chromium. The aluminum workpieces can either be GU. 13 workpieces or kneading workpieces, and. An aluminum workpiece can be connected to a light aluminum workpiece. For example, when carrying out the jirfindtmg, an aluminum workpiece can be connected to a copper or lessing workpiece.

40980 8/096340980 8/0963

Hach der Erfindung werden die zu verbindenden Werkstücke in das Lötmittelbad getrennt oder gemeinsam in aneinandergelagerter Anordnung eingetaucht. Im ersteren Fall wird ein Aluminiumwerkstück oder werden mehrere Aluminiumwerkstücke in das Lötmittelbad gesondert eingetaucht, um einen Lötmitte!überzug auf dem Aluminiumwerkstück bzw. den Aluminiumwerks tue ken aufzubringen. Dann werden die vorverzinnten. Werkstücke zu dem gewünschten zusammengefügten Gebilde zusammengesetzt und erneut erwärmt, um das !lötmittel zu verflüssigen und dann nach dem Festwerden des Irötmittels ein einheitliches Gebilde aus den Werkstücken zu erhalten. Eine relative Bewegung zwischen den Werkstücken in der aneinander angeordneten Stellung und während der Zeitspanne, in der das Lötmittel geschmolzen ist, unterstützt die Bildung einer dichten Lötnaht.According to the invention, the workpieces to be connected are in the Solder bath separately or together in juxtaposed Arrangement immersed. In the former case, one or more aluminum workpieces are placed in the solder bath separately immersed to apply a soldering center! To apply the aluminum workpiece or the aluminum works. Then the pre-tinned. Workpieces assembled to the desired assembled structure and reheated to to liquefy the solder and then after the Irötmittel to obtain a uniform structure from the workpieces. Relative movement between the workpieces in the juxtaposed position and during the period of time in that the solder has melted, aids in the formation of a tight solder seam.

Im letzteren Fall werden die Werkstücke zu einem aneinander— gelagerten Gebilde vor dem Eintauchen zusammengesetzt, d.h. in einer solchen Stellung zueinander und in einem so geringen Abstand, daß das geschmolzene Lötmittel beim Eintauchen des Gebildes die betreffenden Oberflächen erreichen und unter Bildung einer Verbindung oder Brücke zwischen den Oberflächen benetzen kann, die dann nach dem Verfestigen die Lötnaht bildet.In the latter case, the workpieces are joined to one another - stored structures assembled before immersion, i.e. in in such a position to each other and at such a small distance, that the molten solder reach the surfaces concerned upon immersion of the structure and form a connection or bridge between the surfaces, which then forms the soldered seam after solidification.

Die Temperaturen des Lötmittelbads reichen im allgemeinen von 585° bis 454-°C, vorzugsweise von 400 bis 440 C, wobei die optimale Temperatur von der Zusammensetzung der Lotlegierung abhängt, v/eil der Schmelzbereich der Legierung von deren Zusammensetzung abhängt. Die Badtemperatur wird vorzugsweise bei einem Stand gehalten, der gerade über der Schmelztemperatur des Lötmittels und nicht übermäßig hoch über dieser Schmelztemperatur liegt,, weil sonst aus den zu verlötenden Teilen Altiminium in zu großem Maße gelöst werden würde.Solder bath temperatures generally range from 585 ° to 454 ° C, preferably from 400 to 440 ° C, the optimal being Temperature depends on the composition of the solder alloy, v / eil the melting range of the alloy depends on its composition depends. The bath temperature is preferably maintained at a level just above the melting temperature of the solder and is not excessively high above this melting temperature, because otherwise Altiminium will be too large from the parts to be soldered would be resolved.

Durch wiederholtes Tauchlöten wird das Bad an Lötmetall erschöpftRepeated dip soldering depletes the solder bath

409808/0963409808/0963

und außerdem wird die Zusammensetzung des zurückbleibenden Metalls geändert, weil, wie oben angegeben ist, eine Lötlegiertuig mit Zink als Grundbestandteil Aluminium angreift und einen gewissen Teil davon löst, wodurch sich das Bad an Aluminium anreichert. So besteht die Tendenz, daß das Bad an Zink und Beryllium verarmt und mit Aluminium angereichert wird. Daher schlägt die Erfindung vor, das Bad von Zeit zu Zeit zu ergänzen, um das entfernte Metall zu kompensieren und die Zusammensetzung des Bads innerhalb der gewünschten Grenzen einzustellen. So schlägt die Erfindung vor, eine lötlegierung periodisch zuzugeben, die im wesentlichen aus Zink als Hauptbestandteil sowie aus den oben angegebenen Berylliummengen besteht und weniger Aluminium enthält, als in dem Bad vorhanden sein soll, um so die Yerarmung der Badzusammensetzung an Zink und Beryllium bzty. die 'Anreicherung an Aluminium zu kompensieren. Im allgemeinen sieht die Erfindung periodische Zugaben einer Legierung, die 0,01 bis 0,1 $ Beryllium und als Rest im wesentlichen Zink enthält, zu dem Bad vor. Die Erfindung sieht auch vor, daß eine Lötlegierung periodisch zugegeben wird,'deren Aluminiumgehalt geringer ist als der in der Schmelze gewünschte Aluminiumgehalt. Wenn daher ein Bad einen Gehalt an Aluminium von 5 i° beibehalten soll, wird das Bad geeigneterweise durch Zugabe einer Legierung ergänzt, die 0,5 bis 4 i> Aluminium, 0,01 bis 0,1 $ Beryllium und als Rest im wesentlichen Zink enthält. Die aluminiumhaltige Le- ' gierung schmilzt, wie festzustellen ist, bei niedrigeren Temperaturen, was in einigen Fällen vorteilhaft ist. Das zur Aufbereitung verwendete Lötmittel kann in irgendeiner geeigneten Form, wie z.B. in Porra von Gußblöcken oder -stäben, Drähten oder auch anderen Formen, zugegeben werden.and furthermore, the composition of the remaining metal is changed because, as stated above, a solder alloy with zinc as a basic component attacks aluminum and dissolves a certain part of it, whereby the bath becomes enriched in aluminum. There is a tendency for the bath to become depleted in zinc and beryllium and enriched with aluminum. The invention therefore proposes adding to the bath from time to time in order to compensate for the metal removed and to adjust the composition of the bath within the desired limits. Thus, the invention proposes to periodically add a soldering alloy which consists essentially of zinc as the main component and of the abovementioned amounts of beryllium and contains less aluminum than should be present in the bath, so as to reduce the depletion of zinc and beryllium in the bath. to compensate for the accumulation of aluminum. In general, the invention contemplates periodic additions to the bath of an alloy containing from 0.01 to 0.1% beryllium and the remainder essentially zinc. The invention also provides that a brazing alloy is periodically added, 'the aluminum content of which is less than the aluminum content desired in the melt. Therefore, when a bath is to maintain ° an aluminum content of 5 i, the bath is suitably supplemented by the addition of an alloy containing 0.5 to 4 i> aluminum, 0.01 to 0.1 $ beryllium and the balance essentially zinc contains. The aluminum-containing alloy will be found to melt at lower temperatures, which is advantageous in some cases. The soldering agent used for the preparation can be added in any suitable form, for example in Porra from cast blocks or rods, wires or other forms.

Die Erfindung schlägt auch die Anwendung von TTltraschallenergie während des .Eintauchens vor, v/eil dadurch die Notwendigkeit der Zugabe eines chemischen Flußmittels verringert wird. Die Ultraschallenergie kann unter Benutzung bekannter Mittel zur AnwendungThe invention also proposes the use of ultrasonic energy during immersion, this avoids the need for Addition of a chemical flux is reduced. The ultrasonic energy can be applied using known means

409808/0963409808/0963

gelangen, wozu das Eintauchen von Ultraschall erregender Vorrichtungen in das Bad oder die Anwendung äußerer Vorrichtungen gehören, die das Bad durch die Wandungen des Badbehälters oder -gefäße,s erregen. Wie oben angegeben ist, hat man bisher bereits unter Anwendung von Ultraschall die einzelnen zu verlötenden Teile durch Eintauchen derselben in ein Bad aus geschmolzenem Lötmittel vorverzinnt. Bach dem Herausnehmen aus dem Bad werden die Teile heftig geschüttelt, um so viel wie möglich von dem auf den Oberflächen der Teile befindlichen überschüssigen Lötmittel zu entfernen. Die Verwendung der verbesserten Lötmittel— legierung nach der Erfindung beim Löten unter Anwendung von Ultraschall ermöglicht, daß die Notwendigkeit, die Teile heftig zu schütteln, entfällt oder sehr verringert wird und daß die vorverzinnten Teile im allgemeinen praktisch in dem Zustand, in dem sie sich beim Herausnehmen aus dem Bad befinden, verlötet werden können.get, including the immersion of ultrasonic excitation devices in the bath or the use of external devices that the bath through the walls of the bath container or -vessel, s excite. As indicated above, the individual has to be soldered using ultrasound Pre-tinned parts by dipping them in a bath of molten solder. Bach will be taking out from the bathroom vigorously shaken the parts to remove as much as possible of the excess solder on the surfaces of the parts to remove. The use of the improved solder alloy of the invention in soldering using Ultrasound enables the need to break the parts violently to shake is omitted or very reduced and that the pretinned parts are generally in the state in which they can be soldered when they are removed from the bathroom.

Gleichfalls ist die Tatsache wesentlich, daß das verbesserte Lötmittel nach der Erfindung auf einigen Gebieten das flußmittellose Löten von zuvor Zusammengesetzten.zu verlötenden Werkstücken erleichtert, ohne daß zunächst gesondert vorverzirmt wird, und zwar weil das Beryllium die Bildung von übermäßig koalesziertem Lötmittel und Schaum an den Lötstellen auf ein Kleinstmaß zurückführt, wodurch das freie Fließen des geschmolzenen iötmittels um die zu verbindenden Flächen herum sichergestellt ist. Außerdem verbessert das Beryllium praktisch auch die Fließeigenschaften der Lötlegierung, wodurch ein besseres !"ließen in die Ritzen und Kapillaren der Lötstelle ermöglicht wird. Durch flußmittelloses Tauchlöten unter Anwendung von Ultraschall erhaltene Lötnähte haben ein erhebliches Maß an Gleichmäßigkeit hinsichtlich der Dicke der Lötnaht und des Fehlens von Poren oder Hohlräumen in dem Püllmetall der Lötnaht gezeigt, wenn sie nach dem verbesserten Verfahren unter Verwendung des verbesserten Lötmittels gebildet worden sind.Also essential is the fact that the improved solder of the invention is fluxless in some areas Soldering of previously assembled workpieces to be soldered facilitated without the need for separate pre-shielding first, because the beryllium causes the formation of excessive Coalesced solder and foam at the soldering points reduced to a minimum, thereby allowing the free flow of the molten solder is ensured around the surfaces to be connected. Besides, the beryllium practically improves too the flow properties of the solder alloy, creating a better ! "let into the cracks and capillaries of the solder joint will. Solder seams obtained by fluxless dip soldering using ultrasound have a considerable degree of uniformity with regard to the thickness of the soldered seam and the absence of pores or cavities in the filler metal of the soldered seam, when formed by the improved process using the improved solder.

PatentansprücheClaims 409808/OS63409808 / OS63

Claims

Patent claims:

1. Improved solder alloy, characterized in that it consisting essentially of up to about 10% by weight aluminum, about 0.005 to about 0.1% by weight beryllium, and essentially the remainder Zinc consists

2. Improved solder alloy according to claim 1, characterized in that it contains 3 to 7 1 ° aluminum and 0.01 to 0.03 tfo beryllium.

3. A method for producing a soldered seam in one or more aluminum or aluminum alloy workpieces using an improved soldering alloy according to claim 1 while immersing said aluminum workpiece or said aluminum workpieces in a molten solder with zinc as the main component, characterized in that .man the aluminum workpiece or the aluminum workpieces in a molten solder bath dipping ·, which consists essentially of up to about 10 percent - is ^a ß> aluminum, about 0.005 to about 0.1 fo beryllium and the balance substantially of zinc..

4. The method according to claim 3, characterized in that applying ultrasonic energy to the molten solder bath while the immersion lets act.

5. 'The method according to claim 3 or 4, characterized in that that you have one or more of the aluminum workpieces separately a soldering alloy passes over the soldering points and then brings the workpieces into an adjacent position and remelting the pre-coated solder.

A09808 / 0963

6. The method according to claim 3 or 4, characterized in that that the workpieces to be soldered are immersed in an adjacent position in order to apply the solvent to the soldered seam to raise.

7. The method according to any one of claims 3 "to 6, characterized in that that a set amount of up to about 10 55 »aluminum is maintained in the bath and the bath by adding a solder alloy consisting essentially of up to about 10 wt .- ^ Aluminum, about 0.05 to 0.1 $ beryllium and the remainder essentially consists of zinc, the aluminum content of which, however, is lower than the desired set aluminum content in the bath, periodically supplemented and thereby the composition. and the Adjusts melting properties of the bath during repeated soldering.

8. The method according to any one of claims 3 to 7, characterized in that that the solder bath is a set aluminum contains an amount that is 3 to 7% by weight of the bath composition.

A 1386
Dr.Ve/Di

409808/09 63